基于VB與APDL的螺栓連接件有限元模擬二次開發(fā)

李守巨，　劉軍豪,　 張　軍

(1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2. 江西洪屏抽水蓄能有限公司, 江西 洪屏 330600)

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基于VB與APDL的螺栓連接件有限元模擬二次開發(fā)

李守巨1，劉軍豪1, 張軍2

(1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2. 江西洪屏抽水蓄能有限公司, 江西 洪屏 330600)

為了精確和快速地研究螺栓連接件的力學(xué)性能，提出一種高效的建模方法?；赩isual Basic平臺(tái)和ANSYS軟件，建立VB界面和Access數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)接。通過VB對(duì)ANSYS的后臺(tái)調(diào)用，開發(fā)出螺栓連接件力學(xué)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了螺栓連接件的參數(shù)化建模。研究表明，該方法能高效快速地對(duì)螺栓連接件進(jìn)行力學(xué)分析，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

ANSYS軟件; 二次開發(fā); Visual Basic; 螺栓連接件; 強(qiáng)度分析

0　引　言

在工程領(lǐng)域，連接件在每個(gè)結(jié)構(gòu)中都具有十分重要的地位。由于連接部件的相互作用、結(jié)構(gòu)材料屬性的多樣性、設(shè)計(jì)參數(shù)的復(fù)雜性及荷載條件的不同，使得對(duì)螺栓連接件的研究設(shè)計(jì)顯得十分重要。近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)螺栓連接件問題進(jìn)行了有限元靜強(qiáng)度和疲勞壽命分析。曹占飛[1]用ANSYS 軟件建立了法蘭-螺栓連接系統(tǒng)三維有限元模型；Kim等[2]采用ANSYS軟件建立了四種螺栓連接有限元模型；De Jesus等[3]建立了鉚釘和螺栓連接疲勞壽命預(yù)測(cè)模型；Yun等[4]采用ANSYS有限元軟件對(duì)單、多螺栓復(fù)合連接強(qiáng)度特性進(jìn)行有限元數(shù)值模擬；Boni等[5]探討了鉚釘連接孔洞擴(kuò)張的一些弊端，提出一些修正措施來(lái)提高疲勞強(qiáng)度極限，并用ABAQUS進(jìn)行有限元數(shù)值模擬；Stocchi等[6]采用ABAQUS軟件，在靜力荷載條件下對(duì)復(fù)合螺栓連接與埋頭緊固件接觸問題進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析?？梢?，ANSYS等有限元軟件是專業(yè)性比較強(qiáng)的應(yīng)用軟件，在上述分析過程中，一般技術(shù)人員很難準(zhǔn)確地對(duì)連接件進(jìn)行建模加載求解，無(wú)論是學(xué)習(xí)還是應(yīng)用都將花費(fèi)大量的時(shí)間。因此，設(shè)計(jì)出一套螺栓連接件的參數(shù)化有限元分析軟件十分必要。

Visual Basic是可視化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它提供了一套基于Windows平臺(tái)的可視化編程環(huán)境。開發(fā)人員不必為界面的設(shè)計(jì)而編寫大量的程序代碼，只需按設(shè)計(jì)的要求，用系統(tǒng)提供的工具在屏幕上畫出各種對(duì)象即可。ANSYS是比較常用的有限元分析軟件之一，其自帶的APDL語(yǔ)言為其二次開發(fā)提供了方便。李朔東等[7]設(shè)計(jì)出運(yùn)用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析的二次開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分析過程模塊化自動(dòng)完成。邱冬瑞等[8]利用VB對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，完成門式剛架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉標(biāo)等[9]將VB對(duì)ANSYS的二次開發(fā)應(yīng)用于門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析中，對(duì)門式起重機(jī)提供設(shè)計(jì)參考。黃洲等[10]運(yùn)用VB對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)液壓缸進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了原液壓缸參數(shù)化系統(tǒng)在零件性能分析上的不足。揚(yáng)創(chuàng)戰(zhàn)等[11]開發(fā)出減速器箱體ANSYS二次開發(fā)分析系統(tǒng)，對(duì)減速箱進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，得出可視化的分析結(jié)果。筆者的目的在于將VB與ANSYS結(jié)合起來(lái)，開發(fā)螺栓連接件力學(xué)分析系統(tǒng)，達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率，降低工作強(qiáng)度的目的。

1　螺栓連接件參數(shù)化建模設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)思想

在運(yùn)用ANSYS的APDL語(yǔ)言進(jìn)行建模分析過程中，類似的模型只是尺寸以及荷載大小等參數(shù)不同，只需將通過VB輸入的參數(shù)補(bǔ)充到已經(jīng)寫好的命令流文件中就能進(jìn)行下一個(gè)問題的自動(dòng)化分析。針對(duì)這個(gè)想法進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，設(shè)計(jì)流程如圖1所示。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

Step1利用ANSYS的APDL語(yǔ)言編寫螺栓連接件的建模、劃分網(wǎng)格、加載求解和后處理通用程序；

Step2運(yùn)用VB設(shè)計(jì)出參數(shù)化輸入界面，包括結(jié)構(gòu)尺寸、材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分細(xì)度以及荷載大小等；

Step3將參數(shù)補(bǔ)寫到編制的APDL文件中，通過VB后臺(tái)調(diào)用ANSYS進(jìn)行計(jì)算；

Step4在VB后處理界面顯示位移和應(yīng)力分布圖。

通過以上設(shè)計(jì)思路和步驟順利完成對(duì)螺栓連接件基于VB的ANSYS有限元分析。

圖1　二次開發(fā)設(shè)計(jì)流程

1.2Visual Basic參數(shù)化界面

VB參數(shù)化界面用來(lái)輸入模型尺寸、材料屬性以及荷載等參數(shù)，如圖2～4所示。圖2和3分別為連接板和螺栓模型尺寸參數(shù)化界面；圖4為各材料屬性、網(wǎng)格劃分細(xì)度以及邊界條件參數(shù)化界面。

圖2　連接板尺寸界面

圖3　螺栓尺寸界面

圖4　力學(xué)參數(shù)界面

1.3VB與Access數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接

對(duì)于螺栓非標(biāo)準(zhǔn)件直接通過圖3界面輸入?yún)?shù)，而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件可直接進(jìn)行選擇，通過調(diào)用Access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，連接Access數(shù)據(jù)庫(kù)程序如下：

Dim cn As New ADODB.Connection

Dim rs As New ADODB.Recordset

cn.ConnectionString="provider=microsoft.ace.oledb.12.0;" & "data source=" & App.Path & "/bolt.accdb"

cn.Open

str1 = "select * from[6-bolt] where 螺栓規(guī)格=’" & Trim(str) & "’"

Set rs = cn.Execute(str1)

X = rs.Fields("Y")

通過上述程序，即可以從存有螺栓規(guī)格的數(shù)據(jù)庫(kù)文件bolt.accdb里面把相應(yīng)規(guī)格的螺栓尺寸參數(shù)調(diào)取出來(lái)。

1.4VB參數(shù)傳遞的實(shí)現(xiàn)

首先，在VB中定義全局變量，每個(gè)參數(shù)化界面中通過以下代碼實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞：

X=Text1.Text

然后，將這些參數(shù)通過以下程序?qū)懭肟瞻孜募nsys.txt中：

Open "D:ansys.txt" For Output As #1

Print #1, "finish＄/clear,nostart ＄/prep7"

Print #1, "X="; x

最后。再把寫好的命令流文件log.txt補(bǔ)寫到ansys.txt文件中。這樣就完成了整個(gè)命令流文件的編寫。

1.5VB調(diào)用ANSYS后臺(tái)運(yùn)算

這一過程體現(xiàn)了VB對(duì)ANSYS進(jìn)行封裝，通過shell()函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

Dim v As Double

v=Shell("E:ANSYSAnsys13ANSYSIncv130ansysinintelANSYS130.exe -b -p ane3fl -i D:ansys.txt -oD: esult.txt", vbNormalFocus)

對(duì)于VB是否調(diào)用完ANSYS還需要進(jìn)行判斷，簡(jiǎn)單問題可以通過file.err文件是否為空來(lái)判斷，但要求建模分析過程中不能存在警告和錯(cuò)誤；而對(duì)于復(fù)雜問題可以通過后處理顯示的圖片文件file.jpg是否為空進(jìn)行判斷。

1.6VB后處理界面圖像顯示

對(duì)后處理界面的封裝，充分體現(xiàn)了軟件的可視化，是至關(guān)重要的一部分。求解結(jié)束后還必須包含輸出圖像命令：

/show,jpeg,0

…

plnsol,s,eqv,0,1.0

plnsol,u,sum,0,1.0

/show,close

得到的分析結(jié)果圖片通過Image控件顯示，代碼為：

Picture1.Picture=LoadPicture("D:f.jpg")。

2　實(shí)例分析

采用ANSYS程序?qū)D5所示的摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接件進(jìn)行有限元模擬分析，各材料屬性如表1所示。

表1　結(jié)構(gòu)部件材料屬性

高強(qiáng)度螺栓連接包括螺栓、螺母和墊圈。其中螺母和墊圈多采用45號(hào)結(jié)構(gòu)鋼和40B結(jié)構(gòu)鋼，8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓采用45號(hào)結(jié)構(gòu)鋼，規(guī)格為M16，由于主要分析的是螺栓的承載力，所以按45號(hào)結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行選取。

對(duì)連接板和螺栓進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，板采用SOLID95實(shí)體單元，網(wǎng)格尺寸為5 mm；螺栓采用SOLID92四面體實(shí)體單元， 網(wǎng)格尺寸為2 mm ，有限元模型如圖6所示。螺栓和連接板采用雙線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，本構(gòu)方程：

圖5　螺栓連接件尺寸

(1)

式(1)中,σ為應(yīng)力，E為材料的彈性模量，ε為應(yīng)變，fy為材料的屈服強(qiáng)度，Et為材料的切線模量，εy為材料達(dá)到屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變,

εy=fy/E。

(2)

(3)

式(3)中,σeq為等效Mises應(yīng)力，σ1、σ2和σ3分別為第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，fy為材料的屈服強(qiáng)度。

圖6　連接件有限元模型

結(jié)構(gòu)采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型BKIN，塑性區(qū)采用隨動(dòng)強(qiáng)化模型，采用增強(qiáng)拉格朗日接觸算法。連接板和連接板之間、連接板和螺栓桿之間以及連接板和螺帽螺母之間設(shè)置接觸。接觸面的摩擦類型為庫(kù)倫摩擦：當(dāng)接觸面的剪應(yīng)力超過臨界剪應(yīng)力τcrit時(shí)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。臨界剪應(yīng)力τcrit與接觸面上的壓應(yīng)力P關(guān)系[12]為

τcrit=μP,

(4)

式(4)中,μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，μ=0.4 。

選取目標(biāo)單元targe170和接觸單元conta174來(lái)模擬這一接觸狀態(tài)。高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力采用預(yù)拉伸單元prets179進(jìn)行施加，值的選取按式(5)[13]給出：

(5)

式(5)中,fy為鋼材的屈服強(qiáng)度，Ae為螺栓在螺紋處的有效截面面積，k1和k2分別是超張拉系數(shù)和附加安全系數(shù)，k1=0.9，k2=0.9；k3則是考慮擰緊螺栓時(shí)產(chǎn)生的扭矩效應(yīng)，k3=1.2；P為高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力，P=86 kN。

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范，在剪切連接中每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的承載力設(shè)計(jì)值為

(6)

邊界條件為右端固定，左端加載。所有參數(shù)通過VB參數(shù)化界面輸入進(jìn)行計(jì)算，可得各構(gòu)件的應(yīng)力和位移分布圖。圖7～9為VB界面輸出的構(gòu)件的Mises應(yīng)力分布。后處理顯示界面能剖面顯示各個(gè)部件的不同視角。

圖7　連接板Mises應(yīng)力分布

圖8　螺栓Mises應(yīng)力分布

從圖7～9可知，螺栓的最大應(yīng)力發(fā)生在螺栓截面突變的位置，為674 MPa，超過了螺栓的屈服強(qiáng)度640 MPa；螺桿的應(yīng)力為480 MPa，材料仍處于彈性狀態(tài)。連接板的最大應(yīng)力發(fā)生在截面最小的部位，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，為339 MPa，略大于其屈服強(qiáng)度335 MPa，表明該位置已進(jìn)入塑性狀態(tài)。

圖9　接觸面的Mises應(yīng)力分布

3　結(jié)　論

(1)通過對(duì)高強(qiáng)度螺栓連接件進(jìn)行有限元分 析，可以了解構(gòu)件的基本受力情況，為進(jìn)一步了解高強(qiáng)度螺栓力學(xué)性能提供依據(jù)。

(2)螺栓預(yù)拉力的作用產(chǎn)生壓力和摩擦力，直接關(guān)系到構(gòu)件的位移和應(yīng)力，選擇合適的預(yù)應(yīng)力大小至關(guān)重要。

(3)將VB的可視化與ANSYS的強(qiáng)大計(jì)算功能結(jié)合起來(lái)，使兩者的優(yōu)點(diǎn)均得以發(fā)揮，提高了設(shè)計(jì)效率。工程技術(shù)人員經(jīng)過簡(jiǎn)單的了解就可以通過這套

分析系統(tǒng)對(duì)螺栓連接件進(jìn)行力學(xué)分析，減輕工作難度。

(4)該研究高效的計(jì)算軟件與方便可視的參數(shù)化界面進(jìn)行結(jié)合，具有高效簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域。

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(編輯徐巖)

Secondary development of finite element simulation for bolt joint based on VB and APDL

LIShouju1，LIUJunhao1，ZHANGJun2

(1. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China; 2. Jiangxi Hongping Pumped Storage Company Limited, Hongping 330600, China)

This paper proposes an effective modeling method designed for a quick and accurate insight into the mechanical properties of bolt joints. The study involves establishing docking interface of VB and access database based on Visual Basic and APDL language; developing mechanical analysis system due to ANSYS software called by VB in the background and ultimately obtaining parametric modeling procedure of bolt joint. The results show that the proposed procedure capable of an efficient and quick analysis of mechanical properties of structure may provide a reference for structure design and optimization.

ANSYS software; secondary development; Visual Basic; bolt joint; strength analysis

2015-12-13

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2015CB057804)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105048,51209028)；工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(S14206)

李守巨(1960-)，男，遼寧省沈陽(yáng)人，教授，博士， 研究方向：計(jì)算力學(xué)及其參數(shù)反演，E-mail：lishouju@dlut.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.018

TU311.41

2095-7262(2016)01-0080-05

A